JP4962002B2 - レーザ投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ポケットプロジェクタ、データプロジェクタ、リアプロジェクションテレビ等の画像投影装置などに適用可能であり、光の２次元走査によりスクリーン上に画像を投影するためのレーザ投射装置に関する。

光源からの光を２次元に偏向走査して画像を投影する小型の画像投影装置が種々提案されている（例えば特許文献１，２）。光走査手段として、一般に、ガルバノミラーやＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーが用いられている。ガルバノミラーやＭＥＭＳミラーを高速かつ大きな振幅（機械偏向角度）で用いるために、共振を用いた駆動方式が用いられる。しかし、共振駆動を用いた場合は、走査速度が振幅の最大値、最小値（言い換えれば、画像の周辺）付近で低下することが知られている。これは、画面周辺の明るさが中心に対して相対的に明るくなることや、光源の変調速度を一定にした場合に、中心と周辺での解像度に差が生じてしまうことは、課題として一般的に知られている。

共振駆動方式のミラーを用いた偏向走査手段を用いて、明るさや解像度のムラをなくすためには、被走査面での等速性を達成するように光学系を用いて良好に補正することが必要であり、さらに詳しくは、投影光学系にｆアークサイン特性を有することが好ましい。

特許文献１の投影光学系は、２枚のミラーと１枚の屈折レンズまたは３枚のミラーからなる投影光学系を用いて、等速性や歪みの補正を行っている。

特許文献２の投影光学系は、４枚のミラーや、４面の反射面を有する一体型のプリズムからなる投影光学系を用いて、等速性や歪みの補正を行っている。

特開２００６−１７８３４６号公報 特開２００４−２５２０１２号公報

しかしながら、上述の特許文献１の光学系においては、反射光学系である走査ミラーを複数用いているが、光線を分離させるために走査ミラー間の距離が必要になり、なおかつ偏向走査手段から離れるに従って光学素子が大きくなるため、その結果投影光学系全体が大型化することが避けられない。

また、上述の特許文献２の光学系においては、投影光学系の光路中に一旦光源像を作成し、さらにその光源像をスクリーンに投影する方式にしているため、４枚の反射面を有しているにもかかわらず、最終の反射面は特許文献１の方式と比較してもそれほど大きくなっていないが、１）走査ミラーが４枚もあるために、そもそも光学系自体が大型化してしまうという問題、２）４枚の曲面ミラーを精度良く配置することが困難であるという問題、さらに、３）一旦光路中に作成される光源像が偏向走査手段から離れているために、光源像までの光学系が大型化してしまうという問題等、は避けられない。

以上の問題に鑑み、本発明は、小型化が容易で、等速性（アークサイン特性）を有し、良好な投射特性と明るさを有する投射光学系を用いたレーザ投射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ投射装置は、
レーザ光源と、
レーザ光源からの光束が入射する入射光学系と、
入射光学系からの光束を２次元的に走査するための走査装置と、
走査装置からの光束をスクリーンに投影するための投影光学系とを備え、
走査装置は、主走査方向の偏向を行うための共振駆動ミラーを含み、
走査装置からスクリーンまでの光路中において少なくとも１回光源像が形成され、
投影光学系は、主走査方向に関して、主走査方向の周辺に向かうほど正のパワーが強くなるように設計されており、
入射光学系は、主走査方向のパワーと副走査方向のパワーが互いに異なることを特徴とする。

本発明において、入射光学系は、主走査方向に関する収束光を、走査装置に入射することが好ましい。

また本発明において、入射光学系は、走査装置から入射光学系による主走査方向の光源像までの距離を、主走査方向の物体距離Ｓｈとし、瞳径をｄとして、
２０＜Ｓｈ／ｄ＜８０
を満足することが好ましい。

また本発明において、 入射光学系は、走査装置から入射光学系による副走査方向の光源像までの距離を、副走査方向の物体距離Ｓｖとし、瞳径をｄとして、
｜０．０５｜＞ｄ／Ｓｖ
を満足することが好ましい。

また本発明において、入射光学系は、入射光学系の主走査方向のパワーの絶対値をＰｗＨとし、入射光学系の副走査方向のパワーの絶対値をＰｗＶとして、
１．２＜ＰｗＨ／ＰｗＶ＜７．０
を満足することが好ましい。

また本発明において、投影光学系は、正のパワーを持つ２枚の凹反射面のみで構成されていることが好ましい。

また本発明において、投影光学系は、少なくとも２枚の非軸対称形状の反射面を含み、走査装置に最も近い第１反射面と第２反射面との間に光源像が存在することが好ましい。

また本発明において、投影光学系の第１反射面は、正のパワーを有し、第１反射面と第２反射面の光軸主光線の光路長をＬ12とし、第１反射面の主走査方向の光軸主光線近傍の焦点距離をｆ1Ｈとし、第１反射面の主走査方向の入射光学系による光源像の物体距離をＳ1Ｈとして、
０＜（Ｓ1Ｈ×ｆ1Ｈ）／（Ｓ1Ｈ＋ｆ1Ｈ）／Ｌ12＜１．０
を満足することが好ましい。

また本発明において、投影光学系の第１反射面は、正のパワーを有し、第１反射面と第２反射面の光軸主光線の光路長をＬ12とし、第１反射面の副走査方向の光軸主光線近傍の焦点距離をｆ1Ｖとし、第１反射面の副走査方向の入射光学系による光源像の物体距離をＳ1Ｖとして、
０＜（Ｓ1Ｖ×ｆ1Ｖ）／（Ｓ1Ｖ＋ｆ1Ｖ）／Ｌ12＜１．０
を満足することが好ましい。

また本発明において、投影光学系の第１反射面は、第１反射面の主走査方向の光軸主光線近傍の焦点距離をｆ1Ｈとし、第１反射面の副走査方向の光軸主光線近傍の焦点距離をｆ1Ｖとして、
０＜ｆ1Ｖ／ｆ1Ｈ＜１
を満足することが好ましい。

本発明によれば、投射光学系の小型化が図られ、スクリーン上において歪みが少なく均一な明るさを持つ画像を投射できるレーザ投射装置を実現することができる。

本発明に係るレーザ投射装置は、レーザ光源と、レーザ光源からの光束が入射する入射光学系と、入射光学系からの光束を２次元的に走査するための走査装置と、走査装置からの光束をスクリーンに投影するための投影光学系などで構成される。

走査装置は、主走査方向に光束を偏向する機能と、主走査方向に対して交差する副走査方向に光束を偏向する機能を有し、例えば、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーで構成することができる。走査装置は、主走査ミラーと副走査ミラーを別個に設けた構成でもよく、単一ミラーに主走査駆動機構および副走査駆動機構を設けた構成でもよい。

走査方向に関して、一般のディスプレイと同様に、主走査方向が水平で、副走査方向が垂直となるように設定してもよく、あるいは主走査方向が垂直で、副走査方向が水平であってもよく、両方とも非水平かつ非垂直であっても構わない。

以下の説明では、理解容易のため、主走査方向をＨ（水平）方向、副走査方向をＶ（垂直）方向に設定した場合を例示する。

従来、小型の投射装置としてＤＭＤ(Digital Micromirror Device)や液晶素子を用いたプロジェクタが知られている。従来のＤＭＤや液晶画面を拡大投影する、いわゆるマイクロディスプレイ方式だと限界がある。その理由は、２次元の画像を投影する必要があるので、照明光学系や投影光学系が大きくなってしまうからである。

それに対して、ＭＥＭＳ等の小さなミラーを走査して、それに追随してレーザ光源の輝度を変調するいわゆるレーザ走査方式のプロジェクタは小型化が可能である。走査ミラーがＤＭＤなどと比較して小さいこと、光源がレーザであり、照明光学系も走査ミラーに照射するだけなので小さくなること、投影光学系も点を走査するだけなので、２次元投影光学系と比較すると小さくなることが特長である。

上記方式を用いると小型の投射装置は実現できる。さらには、明るく高解像度の高品質の画像を投射することが望まれる。

ＭＥＭＳミラー等の偏向走査ミラーを２次元に（または２枚のミラーの組み合わせで）走査して、高解像度の画像を出力するには、映像の縦方向を低速駆動させ、横方向を高速駆動させる必要がある。具体的には縦方向は６０Ｈｚ等の目にちらつきが感じられない程度の速度で駆動させ、横方向はその間早く駆動させる。縦方向と横方向の駆動周波数の比が縦方向の解像度になる。つまり、ＸＧＡの解像度（１０２４×７６８）を有するためには、縦方向の走査領域を全部使うとした場合には、６０×７６８＝４６ＫＨｚ、ただし、横方向は往復走査させて描画するのでその半分の２３ＫＨｚの周波数が必要である。これはミラーを走査する速度としては非常に高速である。

高速で大きな機械振幅を有するには共振駆動を用いることが好ましい。逆に共振駆動を用いないと、振幅や速度が不足してしまう。従って、Ｈ方向駆動は正弦波駆動であることが好ましい。

Ｖ方向走査は、６０Ｈｚ等の周期でよいので比較的走査速度が遅いため、共振を使わない駆動方式を用いることが出来る。Ｖ方向駆動は画面切り替わり周期を６０Ｈｚとすると、鋸歯形状で６０Ｈｚまたは往復を利用して三角波形状で３０Ｈｚであればよい。

正弦波駆動させているＨ方向の被走査面上での等速性を考慮する。Ｈ方向は共振を用いているので、中心と周辺での速度差が必ず発生する。最周辺では速度はゼロになってしまうので、全領域を使用するのは難しい。例えば、正弦波の最大ピークから最小ピークまでの走査時間のうち７５％を有効走査領域として使用する。即ち、正弦波駆動であるので、Ｓｉｎ（９０×０．７５）＝０．９２であるので、有効走査時間７５％は有効走査角度の９２％であることを意味する。このときの有効領域最周辺の走査速度の中心との比率はＣｏｓで計算でき、Ｃｏｓ(９０×０．７５)=０．３８であり３８％になってしまう。正弦波駆動方式を用いる限り、機械的にこの量を補正することは困難になる。

仮に、光学補正を行わずに画像補正を行った場合、周辺と中心で１ドットに相当するクロック数を変化させると言うやり方が考えられるが、約４割のクロックの差を出すには、１ドットを例えば、１０クロックに分けて、周辺では１０クロックで、さらに中心では４クロックで１つのドットを表現するという方法が考えられる。しかし、６０ＨｚのＸＧＡの解像度であるので、レーザの変調周波数は６０×１０２４×７６８×１０クロック＝４７０ＭＨｚの変調が必要となる。これは１クロックで約２ｎｓのパルス光を出すことになるが、高速変調に追随可能なレーザは高価なものとなる。また、画像処理回路においても、高速処理を行うには限界があり、例えば現在高速とされるＦＰＧＡ回路は１０ＧＨｚ程度であるが、６０ＨｚのＸＧＡの解像度を２５６階調で表現をするには約１２ＧＨｚとなる。技術の進歩で回路の高速化は可能ではあるが、画像処理回路も高価になってしまうので好ましくない。また、画像処理を行ったとしても速度差から生じる明るさのムラは補正できないため、周辺の輝度（レーザ強度）を低下させることで均一な明るさを得ることとなるが、結果として全体を暗くする必要があるので好ましくない。

従って、Ｈ方向の等速性は光学系で行うことが最も好ましい。等速性の確保の方法としては、いわゆるｆアークサイン特性を有することが好ましい。さらには、ｆアークサイン特性を必要としているのは、Ｈ方向の等速性確保のためであるので、直交方向のＶ方向はｆ−θ特性やｆＴａｎθ特性であればよく、投影光学系にはＨ方向とＶ方向で特性の異なることが好ましい。

投影光学系は、通常、カラー表示を行うためにＲＧＢの３つの光源からの光を合成して投影させるために、色収差（倍率・軸上）が発生すると、色にじみとなり、像の性能を劣化させる。そこで、色収差を抑えた光学系である必要がある。特に、ｆアークサイン特性は、Ｈ方向の周辺の光線を大きく偏向させる特性であるために、屈折レンズで投影光学系を構成すると、色収差が大きく発生してしまい、補正することが困難となってしまうので好ましくない。従って、色収差の発生のない反射光学系で投影光学系を構成することが好ましい。但し、反射光学系のみでなくても色収差の発生の小さなノンパワーの透過レンズを光路中に配して、残存収差等を補正することも可能であるが、この考え方を排除するものではない。

投影光学系に必要な要件は、等速性と結像性能の両方を画像領域全てにわたって良好に補正することである。２つの制約を満足することになるので、少なくとも２つの反射ミラーが投影光学系には必要である。従って、投影光学系には少なくとも２枚の反射ミラーを有することが好ましい。

反射光学系の場合は、光線分離を行って光学系（走査ミラー）を配置する必要があるが、光線分離方向はＶ方向であることが好ましい。通常の表示画面は４：３や１６：９といった横長の画面であることが多く、短い辺での分離のほうが分離を行いやすく、全体を小型に出来るので好ましい。また、通常プロジェクタの投射装置はスクリーン等の被投射面に対して、手前下方から投影するが、Ｖ方向の分離であると下方からの斜め投影を行いやすい。

さらに、自由曲面を用いた反射光学系で、特にＨ方向にのみアークサイン特性を持たせることが必要である。

反射光学系は、上述のように光線分離を行って配置する必要がある。走査装置は光源からの光を２次元的に走査するので、走査装置から離れるほど全体の光束幅は大きくなる傾向がある。従って、例えば、特許文献２の実施例のような投影光学系の場合は、全体が大きく肥大化してしまう。反射光学系を用いながら、小型の投影光学系を達成するためには、投影光学系の光路中に光源像を有することが好ましい。光源像が光路中に存在すると、その部分で一旦光束が小さくなるので、走査装置から離れるほど光束が大きくなるという上記の課題を解決し、光源像後の光束（つまり光学素子の大きさ）を小さくすることが出来る。

その際に、光源像は、上記反射光学系の走査装置から数えて１枚目と２枚目の間にあることが好ましい。さらに、光路中に光源像を形成する光学系であっても、光源像が走査装置から離れて形成されている場合は、光源像までの光束が広がってしまい、その結果光学素子ならびに投影光学系が大型化してしまうので好ましくない。逆に、光源像が１枚目と２枚目の間にある場合は、反射光学系における最小の小型化を達成できるので、より好ましい。

さらに、光源像を２枚目以降の反射面で被走査面に投影（再結像）させることで、被走査面において良好な投射像が得られることになる。

上記構成を用いることで、投影光学系の小型化は達成できるが、良好な投射性能を得るためには、Ｈ方向においてｆアークサイン特性を満たすことが必要となる。そのためには、反射面がＨ方向の周辺に向かうほど凸のパワー、即ち、正のパワーが強くなるように構成されていることが好ましい。

上記の理由について、図１４を用いて説明する。図１４は、走査装置３０から被走査面（スクリーンＳＣ）までのＨ方向断面の光路図を模式的に示している。実際は、走査装置３０および投影光学系４０ともに反射光学系であるが、図１４では理解容易のために、透過光学系として示している。

投影光学系４０のＨ方向周辺の正パワーが大きくなる場合は、図１４のように、投影光学系で周辺部分の光線ほど大きく偏向させられる。その結果、Ｈ方向は正弦波駆動のために、走査装置３０による偏向角は時間的には非等間隔となるが、投影光学系４０により、被走査面上において等間隔（等速走査）となる。

従って、投影光学系４０は、Ｈ方向周辺の正パワーが大きくなる上記特性を有する反射面があることが好ましい。更には、１枚目のミラーに上記特性を有していることが好ましい。又は、投影光学系の中で最もＨ方向の有効領域の大きな反射面に上記特性を有していることが好ましい。

アークサイン特性を出すために、Ｈ方向の周辺に凸のパワーを大きくするが、光線が分離されているほうが独自に光線の偏向角度を制御できる。そのためには、光線分離の程度が最も大きくなる面に上記の特性を有していると効率的にアークサイン特性を有することが出来る。

更には、全ての反射ミラーが上記特性を有しており、アークサイン特性の効果を分担して持つように構成されていることが、収差補正と等速性のバランスを良好に保つことが出来るので好ましい。

次に、入射光学系に関して、前述したように、Ｈ方向とＶ方向で適切な投影光学系の特性が異なるため、それぞれの方向に適した特性を持つ光束を入射することにより、各方向の面形状の役割が明確になり、特性の確保が容易になる。

また、入射光学系にも自由度を与えることにより、入射光学系＋投影光学系で特性の確保を行うことになるため、従来の投影光学系のみによる場合に比べて投影光学系中の光学面の数を減らすことが可能となり、光学系の肥大化を防止することができる。

方向により特性の異なる光束を実現するため、入射光学系においてはＨ方向とＶ方向でパワーの異なる光学系となることが好ましい。そのような光学系を１つの面で実現する手段としては、アナモルフィック面、バイコーニック面、自由曲面などを用いることが挙げられる。

本発明ではＨ方向の等速性能を改善するため、上記の通りＨ方向にアークサイン特性を得るべく投影光学系に周辺部で強い正のパワーとなる面を用いている。しかし、そのパワー特性により光源像位置において周辺部でマイナス側への像面の倒れが発生することになり、像性能の劣化を引き起こす場合がある。

この問題を解決するため、Ｈ方向は走査装置に対して収束光を入射することが好ましい。その理由については図１５と図１６を用いて説明する。図１５（Ａ）は、物体距離無限遠の光束（コリメート光）をレンズに入射した際の光学系２０と像面の状態を示し、図１５（Ｂ）は、この場合のサジタル面（Ｓ）およびタンジェンシャル面（Ｔ）の像面湾曲を示すグラフである。また図１６は、収束光を入射した際の光学系２０と像面の状態を示し、図１６（Ｂ）は、この場合のサジタル面（Ｓ）およびタンジェンシャル面（Ｔ）の像面湾曲を示すグラフである。

図１５（Ｂ）と図１６（Ｂ）を比較して分かるように、どちらの場合もマイナス側へ像面の倒れが発生しているが、光学系２０に対して収束光を入射することにより像面の倒れを改善することができる。

従って、本発明において走査装置のＨ方向に収束光を入射することで像性能の良好な投影装置を提供することができる。

その際、走査装置の位置に対する入射光学系によるＨ方向の光源像までの距離をＨ方向の物体距離Ｓｈとし、瞳径をｄとしたとき、入射光学系２０は、下記の式（１１）を満足することが好ましい。

２０＜Ｓｈ／ｄ＜８０ …（１１）

Ｓｈ／ｄが８０よりも大きい（物体位置が入射光学系から遠ざかりすぎる）場合には、光束の収束度合いが小さくなり、十分な光源像の像面補正効果を得ることが難しい。

また、Ｓｈ／ｄが２０よりも小さい（物体位置が入射光学系に近づきすぎる）場合には、光源像の前の光学系により光束が発散してしまい、光学系の小型化という目的に相反することになる。

Ｖ方向に関しても走査装置の位置に対する入射光学系によるＶ方向の光源像までの距離をＶ方向の物体距離Ｓｖとし、瞳径をｄとしたとき、入射光学系は、下記の式（１２）を満足することが好ましい。

｜０．０５｜＞ｄ／Ｓｖ …（１２）

Ｖ方向に強い収束光を入射した場合、光源像の前の光学系のパワーが非常に小さくなり、逆に光源像の後の光学系はスクリーンに結像させるためのパワーが必要となるため、光源像前後の光学系のパワーバランスに偏りが生じてしまい、収差バランスにも偏りが生じるために、良好な像を得ることができない。

また、Ｖ方向に強い発散光を入射した場合には、光源像を形成するために光源像の前の光学系に大きなパワーが必要となり、上記同様光源像前後の光学系のパワーバランスに偏りが生じてしまい、収差バランスにも偏りが生じるために、良好な像を得ることができない。

従って、Ｖ方向に関しては、コリメート光もしくは弱い収束光か発散光を入射する必要がある。

さらに、光源像の後ろの光学系からはスクリーンに結像するために弱い収束光が射出されるため、光源像前後の光学系の対称性から光源像の前側の光学系には弱い発散光が入射することが好ましい。具体的には以下の条件式（１２ａ）を満足することが好ましい。

−０．０５＜ｄ／Ｓｖ＜０ …（１２ａ）

上記の条件式（１２ａ）を満足する場合、収差補正に有利な対称性のある光学系が実現されるため、良好な像を得ることができるので、より好ましい。

さらに、入射光学系のＨ方向のパワーとＶ方向のパワーの比が、以下の式（１３）を満たす光学系となることが好ましい。

１．２＜ＰｗＨ／ＰｗＶ＜７．０ …（１３）

但し、ＰｗＨは、入射光学系のＨ方向のパワーの絶対値であり、ＰｗＶは、入射光学系のＶ方向のパワーの絶対値である。

パワー比が１．２以下、即ちＨ方向とＶ方向のパワー差が小さい場合には、Ｈ方向の性能を確保しようとするとＶ方向も強い収束光となり、これは上記式（１２）で説明した通り光学系のパワーバランスの観点から良好な像を得ることができないので好ましくない。

逆にＶ方向の性能を確保しようとすると、上記式（１２）で説明した通りＶ方向は弱い収束光か発散光が好ましいため、Ｈ方向の収束度合いが不足し、十分な光源像の像面補正を行うことができない。

また、パワー比が７．０以上、即ちＨ方向とＶ方向のパワー差が大きい場合には、投影光学系におけるＨ方向とＶ方向の形状の違いが大きくなり、形状自由度の高い自由曲面等を用いても面形状の自由度は歪曲と等速性の確保に利用されるため、画面四隅で良好な像を得ることが困難となる。

次に、投影光学系における第１ミラーと第２ミラーの間にある光源像に関して、投影光学系の投射性能、小型化等の要件から、第１ミラーは、下記の条件式（１）を満足することが好ましい。

０＜（Ｓ1Ｈ×ｆ1Ｈ）／（Ｓ1Ｈ＋ｆ1Ｈ）／Ｌ12＜１．０ …（１）

但し、Ｌ12は、第１ミラーと第２ミラーの間の光軸主光線の光路長であり、ｆ1Ｈは、第１ミラーのＨ方向の光軸主光線近傍の焦点距離であり、Ｓ1Ｈは、第１ミラーのＨ方向の入射光学系による光源像の物体距離である。ここで、光軸主光線とは、被走査面に表示される画像表示領域の中心（偏向走査手段の走査角度が０の状態の光線）に向かう光線のうち、光源を出て、瞳の中心を通るものとする。

条件式（１）は、ミラー間の距離と第１ミラーのＨ方向の焦点距離、さらに第１ミラーに対する光源のＨ方向の物体とを適切に定める関係式である。上記関係式を満たすことで、Ｈ方向の光源像が第１ミラーと第２ミラーの中間に生成される。

逆に、上記関係式の上限を超えたり、下限を下回ると、Ｈ方向の光源像が第１ミラーと第２ミラーの中間に生成されないので、再結像されない。

さらに、第１ミラーは、下記の条件式（１ａ）を満足することがより好ましい。

０．２＜（Ｓ1Ｈ×ｆ1Ｈ）／（Ｓ1Ｈ＋ｆ1Ｈ）／Ｌ12＜０．６ …（１ａ）

この条件式（１ａ）を満足すると、収差や光学素子のサイズ等のバランスが最もよく、好ましい配置となる。具体的には、Ｈ方向の光源像は、第１ミラーと第２ミラーの中間付近または中間よりもやや第１ミラーに近くなり、最もよい配置となって好ましい。

条件式（１ａ）の上限を超えると、第１ミラーの焦点距離が長くなりすぎるために、光源像を第１ミラーと第２ミラーの間に配置することが困難となる。

逆に、条件式（１ａ）の下限を下回ると、第１ミラーの近傍に光源像を作るので、第１ミラーのパワーが強くなりすぎて第１ミラーで発生する諸収差を小さく抑えることが困難になり、良好な画像が得られなかったり、光源像と第２ミラーの距離が長くなるので、第２ミラー以降の光学素子の大きさが肥大化し、結果として小型の投影光学系を得ることが困難となったりするので好ましくない。

また、本発明に係る投影光学系は、ミラー２枚のみで構成されることが好ましい。本発明に係る投影光学系には、光路中に光源像を生成する機能を有する第１ミラーとその中間光源像をスクリーン等の被走査面に再結像する光学系の少なくとも２つのミラーが必要となるが、２枚であることは構成要素を最小にすることが出来るので、コストダウンや小型化には非常に好ましい。更には、２枚のミラーはそれぞれ正のパワーを有し、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。

０＜（Ｓ1Ｖ×ｆ1Ｖ）／（Ｓ1Ｖ＋ｆ1Ｖ）／Ｌ12＜１．０ …（２）

但し、Ｌ12は、第１ミラーと第２ミラーの間の光軸主光線の光路長であり、ｆ1Ｖは、第１ミラーのＶ方向の光軸主光線近傍の焦点距離であり、Ｓ1Ｖは、第１ミラーのＶ方向の入射光学系による光源像の物体距離である。

条件式（２）は、ミラー間の距離と第１ミラーのＶ方向の焦点距離、さらに第１ミラーに対する光源のＶ方向の物体とを適切に定める関係式である。上記関係式を満たすことで、Ｖ方向の光源像が第１ミラーと第２ミラーの中間に生成される。

逆に、上記関係式の上限を超えたり、下限を下回ると、Ｖ方向の光源像が第１ミラーと第２ミラーの中間に生成されないので、再結像されない。

さらに、第１ミラーは、下記の条件式（２ａ）を満足することがより好ましい。

０．４＜（Ｓ1Ｈ×ｆ1Ｈ）／（Ｓ1Ｈ＋ｆ1Ｈ）／Ｌ12＜０．８ …（２ａ）

この条件式（２ａ）を満足すると、収差や光学素子のサイズ等のバランスが最もよく、好ましい配置となる。具体的には、Ｖ方向の光源像は、第１ミラーと第２ミラーの中間付近または中間よりもやや第１ミラーに近くなり、最もよい配置となって好ましい。

条件式（２ａ）の上限を超えると、第１ミラーの焦点距離が長くなりすぎるために、光源像を第１ミラーと第２ミラーの間に配置することが困難となる。

逆に、条件式（２ａ）の下限を下回ると、第１ミラーの近傍に光源像を作るので、第１ミラーのパワーが強くなりすぎて第１ミラーで発生する諸収差を小さく抑えることが困難になり、良好な画像が得られなかったり、光源像と第２ミラーの距離が長くなるので、第２ミラー以降の光学素子の大きさが肥大化し、結果として小型の投影光学系を得ることが困難となったりするので好ましくない。

さらに、第１ミラーへの入射光に関して、Ｈ方向の光源像は第１ミラーに対して正の位置に結び、Ｖ方向の光源像は第１ミラーに対して負の位置に結ぶことが好ましい。このことは、第１ミラーには、Ｈ方向について収束光、Ｖ方向について発散光を入射させることになる。投影光学系がアークサイン特性を有しながら、その像面湾曲を良好に補正するには、Ｈ方向には収束光を入射させることが好ましく、Ｖ方向は通常の射影方式であるため、発散光を入射させることが好ましい。

ここで、上記の状態で第１ミラーと第２ミラーの中間においてＨ方向の光源像およびＶ方向の光源像の両方を生成するためには、第１ミラーのＨ方向パワーとＶ方向パワーが下記の条件式（３）を満足することが好ましい。

０＜ｆ1Ｖ／ｆ1Ｈ＜１ …（３）

即ち、第１ミラーのＶ方向パワーは、Ｈ方向パワーよりも強いことが好ましい。収差補正に良好な入射光の状態で、さらに光源像を第１ミラーと第２ミラーの間に生成できることから、条件式（３）が特に好ましい関係となる。

さらに、第１ミラーのＨ方向パワーとＶ方向パワーは、下記の条件式（３ａ）を満足することがより好ましい。理由は、Ｈ方向パワーとＶ方向パワーが適切なパワー差を保ちつつ、極端なアナモルフィック比とならないためである。

０．１＜ｆ1Ｖ／ｆ1Ｈ＜０．７ …（３ａ）

以上の特徴をもつ投射装置を利用することで、高品位で小型の画像出力装置を提供することができる。

次に、本発明の具体的な構成について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態を示す全体図であり、図１（Ａ）は側面図、図１（Ｂ）は平面図である。レーザ投射装置ＰＪは、画像信号に基づいて強度変調された光束をＶ（垂直）方向およびＨ（水平）方向に走査して、スクリーンＳＣ上においてラスタースキャン画像を形成する。図１（Ａ）に示すように、スクリーンＳＣに対して斜め下方からの投影により、レーザ投射装置ＰＪが視聴者の視界に入らないようにしている。

図２は、レーザ投射装置ＰＪにおける光源ユニットの一例を示す構成図である。光源ユニット１０は、Ｒ（赤色）光を発生するレーザ素子１１Ｒと、Ｇ（緑色）光を発生するレーザ素子１１Ｇと、Ｂ（青色）光を発生するレーザ素子１１Ｂと、レーザ素子１１ＲからのＲ光を、投影光学系に対して最適な物体距離になるように走査装置に入射させる入射光学系１２Ｒと、レーザ素子１１ＧからのＧ光を、投影光学系に対して最適な物体距離になるように走査装置に入射させる入射光学系１２Ｇと、レーザ素子１１ＢからのＢ光を、投影光学系に対して最適な物体距離になるように走査装置に入射させる入射光学系１２Ｂと、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を共軸に合成する色合成素子１３と、折り返しミラー１５などで構成される。色合成素子１３は、例えば、プリズムやダイクロイックミラーの組み合わせで構成される。

レーザ素子１１Ｒは、例えば、波長６３０ｎｍの光を発生する半導体レーザで構成される。レーザ素子１１Ｇは、例えば、ＰＰＬＮ導波路による第２高調波発生を用いて、波長５３２ｎｍの光を発生する半導体励起の固体レーザで構成される。レーザ素子１１Ｂは、例えば、波長４４５ｎｍの光を発生する半導体レーザで構成される。Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の最大出力をそれぞれ１５０ｍＷ、１２０ｍＷ、８３ｍＷまたはこれらの比率で設定すると、綺麗な白色と色再現性の広い非常に鮮やかな画面を得ることができる。例えば、光源ユニット１０からの出力値が約１００ルーメンである場合、光学系によるロス（面反射ロス、ＭＥＭＳ時間制御によるロス、色合成素子によるロス等）が合計で５０％のとき、スクリーンＳＣ上で約５０ルーメンの明るさが得られることになる。

レーザ素子１１Ｒ，１１Ｂは、レーザチップへの注入電流を直接変調してもよく、あるいはＡＯ（音響光学）素子等の光変調器を別途設けても構わない。レーザ素子１１Ｇは、励起用レーザチップへの注入電流を直接変調してもよく、あるいはＡＯ素子等の光変調器を別途設けても構わない。

図３は、第１実施形態に係るレーザ投射装置ＰＪの構成を示し、図３（Ａ）は側面図、図３（Ｂ）は平面図である。レーザ投射装置ＰＪは、上述した光源ユニット１０と、光源ユニット１０からの光束を２次元的に走査するための走査装置３０と、走査装置３０からの光束をスクリーンに投影するための投影光学系などで構成される。

光源ユニット１０は、折り返しミラー１５から紙面垂直方向に配置されるが、図３（Ａ）（Ｂ）では、理解容易のため、折り返しミラー１５を省略した状態で図示している。

各入射光学系１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂは、光源側が平面で、射出側がＨ方向とＶ方向に曲率半径の異なるアナモルフィック面からなる光学レンズを含み、Ｈ方向のパワーとＶ方向のパワーが互いに異なっている。

走査装置３０は、図４に示すようなＭＥＭＳミラーで構成され、Ｈ方向の偏向は共振駆動で行われ、Ｖ方向の偏向は非共振駆動で行われる。

投影光学系は、２枚の非軸対称形状の反射ミラー４１，４２で構成される。本実施形態では、図３（Ａ）に示すように、走査装置３０に最も近い第１ミラー４１と第２ミラー４２との間に光源像が存在している。

図４は、走査装置３０の構成例を示す正面図である。走査ミラー３１は、ｙ方向に沿って両側に延びる一対のトーションバー３２によって、所定の捩り弾性係数でｙ軸回りに角変位可能に支持される。各トーションバー３２の根元は、可動枠３３に固定されている。可動枠３３は、固定枠３５に対してＸ軸回りに角変位可能に支持される。これらの走査ミラー３１、トーションバー３２、可動枠３３および固定枠３５は、シリコン基板の微細加工によって一体的に形成することができる。走査ミラー３１は、シリコン基板の表面に金属薄膜等の光反射膜が形成されている。走査ミラー３１の有効径（瞳径）は、例えば、Φ１ｍｍに設計される。

正方形状の可動枠３３および固定枠３５の各対向辺には、印加電圧に応じて変形する圧電素子３４ａ〜３４ｄが固定される。例えば、圧電素子３４ａ，３４ｃに正の電圧を加え、圧電素子３４ｂ，３４ｄに負の電圧を加え、正負を交互に入れ替えて駆動させた場合、走査ミラー３１はＸ軸を中心として角変位する。

また、圧電素子３４ａ，３４ｂに正の電圧を加え、圧電素子３４ｃ，３４ｄに負の電圧を加え、正負を交互に入れ替えて駆動させた場合、走査ミラー３１は、Ｙ軸を中心として角変位する。このとき走査ミラー３１は、トーションバー３２の捩り弾性係数と走査ミラー３１の有効質量で決定される共振周波数で往復振動するようになり、走査ミラー３１の角度は時間に対して正弦波関数で変化する。

４つの圧電素子３４ａ〜３４ｄにＨ方向の駆動とＶ方向の駆動の信号を重畳した電圧を加えることで、内側のトーションバー３２を支点にしたＨ方向の共振駆動および、外側の可動枠３３全体を駆動させるＶ方向駆動を実現することができる。

こうしたＭＥＭＳミラーを用いることによって、単一の走査デバイスで２次元走査を行うことができ、部品点数の削減、組み立てや調整コストの低減化が図られる。

次に、投影光学系について説明する。反射ミラー４１，４２は、面頂点を原点としたローカル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いたＸＹ多項式で表現される自由曲面ミラーで構成され、両者とも正のパワーを有している。図３（Ａ）に示すように、光源像は第１ミラー４１と第２ミラー４２の中間に存在し、瞳像（ＭＥＭＳ像）は第２ミラー４２射出後に形成されていることが分かる。

第１実施形態では、Ｖ方向に光線分離を行っている。横長の表示画面に対してＶ方向は、画像短辺方向にあたり、長辺方向で分離するのに比べて光線分離のためのスペースが小さくなるので、投影光学系全体を小型化できる。さらに、投影光学系のＨ方向をＸ＝０断面で左右対称としたので、走査ミラーは左右対称になる。左右対称の形状にすることによって、製造や評価が比較的容易になる。

第１実施形態についての具体的な数値実施例１を下記（表１）に示す。表１（Ａ）は、各レーザ素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの射出位置を物体とし、ここから順に、入射光学系２０のレンズ入射面、レンズ射出面、走査装置３０の直前での瞳、走査装置３０、投影光学系での第１ミラー４１、第２ミラー４２、およびスクリーンＳＣの各光学面に関して、それぞれ面タイプ、Ｙ方向曲率半径（ｍｍ）、Ｙ方向円錐定数、材料、Ｘ方向曲率半径（ｍｍ）、Ｘ方向円錐定数を示している。

表１（Ｂ）は、瞳を基準とした各光学面の面頂点座標をグローバル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）で示し、さらに各光学面についてローカル座標系のＸ軸に対する傾き角度（度）を示している。

表１（Ｃ）は、第１ミラー４１および第２ミラー４２の自由曲面データを示す。自由曲面は、面頂点を原点としたローカル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた下記の式で表現できる。

Ｚ＝（Ｃ_０・Ｈ^２）／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）Ｃ_０ ^２Ｈ^２｝］＋Σ｛Ａ_ｊｋ・Ｘ^ｊＹ^ｋ｝

ここで、Ｚは、高さＨの位置でのＺ軸方向の変位量（面頂点基準）、Ｈは、Ｚ軸に対して垂直な方向の高さ（Ｈ^２＝Ｘ^２＋Ｙ^２）、Ｃ_０は面頂点での曲率、Ｋは円錐定数、Ａ_ｊｋはＸの次数ｊとＹの次数ｋに対応した自由曲面係数である。表１（Ｃ）において、例えば、Ｘ２Ｙ０は、Ｘの次数ｊ＝２、Ｙの次数ｋ＝０を表しており、これに対応した係数Ａ_ｊｋは、１．６８５×１０^−２となる。他の係数についても同様である。

表１（Ｄ）は、走査装置３０のＨ方向およびＶ方向についての走査角度と時間利用率をを示している。

図５（Ａ）は、第１ミラー４１のＨ方向断面形状を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、第２ミラー４２のＨ方向断面形状を示すグラフである。縦軸は、走査中心での接線からの規格化距離であり、横軸は、主光線が当たる規格化位置である。投影光学系は、第１ミラー４１のパワーと第２ミラー４２のパワーの合成で表される。

図５（Ａ）を見ると、第１ミラー４１のＨ方向形状は、球面に比べて曲率が小さいが、図５（Ｂ）を見ると、第２ミラー４２のＨ方向形状は、球面に比べて曲率が大きくなっている。両者の合成光学系としては、アークサイン特性を有するとともに、周辺部に行くにつれて球面からの差が大きくなり、正のパワーが強くなるように設計している。

次に、本実施形態における物体距離に関して、レーザ投射装置の瞳径ｄがφ１．０ｍｍ、走査位置から光源像までの距離が、Ｈ方向は３１．７ｍｍ、Ｖ方向は−２１２．９ｍｍである。よって、Ｈ方向の物体距離Ｓｈは３１．７となり、条件式（１１）を満たす。また、Ｖ方向の物体距離Ｓｖは−２１２．９であることから、１／Ｓｖは−０．００４７となり条件式（１３）を満たす。

さらに、入射光学系のＨ方向焦点距離は−９．５３３２４８ｍｍ、そのＨ方向パワーＰｗＨは−０．１０５となる。入射光学系のＶ方向焦点距離は−１２．７５２１４１ｍｍ、そのＶ方向パワーＰｗＶは−０．０７８となる。従って、両者のパワーの絶対値の比ＰｗＨ／ＰｗＶは１．３６となり、これは条件式（１２）を満たす。

以上のことから、本実施形態においては投影光学系により発生する光源像の像面の傾きを良好に補正することができる。

また本実施形態では、第１ミラー４１の焦点距離と光源像の位置に関して、第１ミラー４１のＨ方向の入射光学系による光源像の物体距離Ｓ1Ｈは、１７．１ｍｍ、第１ミラー４１のＶ方向の入射光学系による光源像の物体距離Ｓ1Ｖは、−２２７．５ｍｍ、第１ミラー４１と第２ミラー４２の間の光軸主光線の光路長Ｌ12は、２１．３４ｍｍ、第１ミラー４１のＨ方向の光軸主光線近傍の焦点距離ｆ1Ｈは、１８．７４ｍｍ、第１ミラー４１のＶ方向の光軸主光線近傍の焦点距離ｆ1Ｖは、１１．０２ｍｍである。

従って、上記式（１）の（Ｓ1Ｈ×ｆ1Ｈ）／（Ｓ1Ｈ＋ｆ1Ｈ）／Ｌ12の値は、０．４１９と計算され、式（１）および式（１ａ）を満たす。

また、上記式（２）の（Ｓ1Ｖ×ｆ1Ｖ）／（Ｓ1Ｖ＋ｆ1Ｖ）／Ｌ12の値は、０．５４３と計算され、式（２）および式（２ａ）を満たす。

また、上記式（３）のｆ1Ｖ／ｆ1Ｈの値は、０．５８８と計算され、式（３）および式（３ａ）を満たす。

こうして本実施形態に係る投影光学系は、Ｈ方向の光源像およびＶ方向の光源像を、第１ミラー４１と第２ミラー４２の中間に生成しているため、第２ミラー４２の小型化が図られる。

図６は、スクリーンＳＣ上での走査格子の歪みを示すグラフである。縦軸は、スクリーンＳＣでの垂直位置であり、横軸は、スクリーンＳＣでの水平位置である。図７は、スクリーンＳＣ上での走査速度の変化を示すグラフである。縦軸は、スクリーンＳＣでのＨ方向の走査速度であり、横軸は、スクリーンＳＣでの水平位置である。

図６および図７を見ると、Ｈ方向の利用効率が７５％と非常に大きいにもかかわらず、等速性と歪みが良好に補正されていることが分かる。

なお、本実施形態においては、図６において横線の格子間隔が一定でなく、Ｖ方向の等速性が確保されていない。しかしながら、Ｖ方向の偏向走査については、直線的な駆動ではなく、Ｖ方向の等速性を補正するような駆動で動作することにより、歪みの少ない良好な画像を得ることができる。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態を示す全体図であり、図８（Ａ）は側面図、図８（Ｂ）は平面図である。レーザ投射装置ＰＪは、画像信号に基づいて強度変調された光束をＶ（垂直）方向およびＨ（水平）方向に走査して、スクリーンＳＣ上においてラスタースキャン画像を形成する。図８（Ａ）に示すように、スクリーンＳＣに対して斜め下方からの投影により、レーザ投射装置ＰＪが視聴者の視界に入らないようにしている。

図９は、レーザ投射装置ＰＪにおける光源ユニットの他の例を示す構成図である。光源ユニット１０は、Ｒ（赤色）光を発生するレーザ素子１１Ｒと、Ｇ（緑色）光を発生するレーザ素子１１Ｇと、Ｂ（青色）光を発生するレーザ素子１１Ｂと、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を共軸に合成する色合成素子１３と、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を、投影光学系に対して最適な物体距離になるように走査装置に入射させる入射光学系１４と、折り返しミラー１５などで構成される。色合成素子１３は、例えば、プリズムやダイクロイックミラーの組み合わせで構成される。

各レーザ素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの構成や動作等は、図２で説明したものと同様であるため、重複説明を省く。

図１０は、第２実施形態に係るレーザ投射装置ＰＪの構成を示し、図１０（Ａ）は側面図、図１０（Ｂ）は平面図である。レーザ投射装置ＰＪは、上述した光源ユニット１０と、光源ユニット１０からの光束を２次元的に走査するための走査装置３０と、走査装置３０からの光束をスクリーンに投影するための投影光学系などで構成される。

光源ユニット１０は、折り返しミラー１５から紙面垂直方向に配置されるが、図１０（Ａ）（Ｂ）では、理解容易のため、折り返しミラー１５を省略した状態で図示している。

入射光学系１４は、光源側が平面で、射出側がＨ方向とＶ方向に曲率半径の異なるアナモルフィック面からなる光学レンズを含み、Ｈ方向のパワーとＶ方向のパワーが互いに異なっている。

走査装置３０は、図４に示すようなＭＥＭＳミラーで構成され、Ｈ方向の偏向は共振駆動で行われ、Ｖ方向の偏向は非共振駆動で行われる。走査装置３０の構成や動作等は、図４で説明したものと同様であるため、重複説明を省く。

投影光学系は、２枚の非軸対称形状の反射ミラー４１，４２で構成される。本実施形態では、図１０（Ａ）に示すように、走査装置３０に最も近い第１ミラー４１と第２ミラー４２との間に光源像が存在している。

次に、投影光学系について説明する。反射ミラー４１，４２は、面頂点を原点としたローカル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いたＸＹ多項式で表現される自由曲面ミラーで構成され、両者とも正のパワーを有している。図１０（Ａ）に示すように、光源像は第１ミラー４１と第２ミラー４２の中間に存在し、瞳像（ＭＥＭＳ像）は第２ミラー４２射出後に形成されていることが分かる。

第２実施形態では、Ｖ方向に光線分離を行っている。Ｖ方向は、横長表示画面の短辺方向にあたり、長辺方向で分離するのに比べて分離しやすいので、投影光学系全体を小型化できる。さらに、投影光学系のＨ方向がＸ＝０断面で左右対称となっているので、製造や評価が比較的容易になる。

本実施形態では、光源ユニット１０からの光束を走査装置３０によって上向きに偏向させ、さらに第１ミラー４１によって下向きに偏向させ、さらに第２ミラー４２によって上向きに偏向させており、光束が交差するように構成している。このように光束が交差する構成は、同じ空間領域を２回使用することになるので、体積効率がよく、装置全体の小型化が図られる。

第２実施形態についての具体的な数値実施例２を下記（表２）に示す。表２（Ａ）〜表２（Ｄ）での各数値の定義については（表１）と同様である。

図１１（Ａ）は、第１ミラー４１のＨ方向断面形状を示すグラフであり、図１１（Ｂ）は、第２ミラー４２のＨ方向断面形状を示すグラフである。縦軸は、走査中心での接線からの規格化距離であり、横軸は、主光線が当たる規格化位置である。投影光学系は、第１ミラー４１のパワーと第２ミラー４２のパワーの合成で表される。

図１１（Ａ）を見ると、第１ミラー４１のＨ方向形状は、球面に比べて曲率が大きい。図４（Ｂ）を見ると、第２ミラー４２のＨ方向形状も、球面に比べて曲率が大きい。両者の合成光学系としては、アークサイン特性を有するとともに、周辺部に行くにつれて球面からの差が大きくなり、正のパワーが強くなるように設計している。

次に、本実施形態における物体距離に関して、レーザ投射装置の瞳径ｄがφ１．０ｍｍ、走査位置から光源像までの距離が、Ｈ方向は２６．６ｍｍ、Ｖ方向は−３６．５ｍｍである。よって、Ｈ方向の物体距離Ｓｈは２６．６となり、条件式（１１）を満たす。また、Ｖ方向の物体距離Ｓｖは−３６．５であることから、１／Ｓｖは−０．０２７４となり条件式（１３）を満たす。

さらに、入射光学系のＨ方向焦点距離は−９．９９９１６７ｍｍ、そのＨ方向パワーＰｗＨは−０．１００となる。入射光学系のＶ方向焦点距離は−４３．５０１８８１ｍｍ、そのＶ方向パワーＰｗＶは−０．０２３となる。従って、両者のパワーの絶対値の比ＰｗＨ／ＰｗＶは４．３５となり、これは条件式（１２）を満たす。

以上のことから、本実施形態においては投影光学系により発生する光源像の像面の傾きを良好に補正することができる。

また本実施形態では、第１ミラー４１の焦点距離と光源像の位置に関して、第１ミラー４１のＨ方向の入射光学系による光源像の物体距離Ｓ1Ｈは、１２．６ｍｍ、第１ミラー４１のＶ方向の入射光学系による光源像の物体距離Ｓ1Ｖは、−５０．５ｍｍ、第１ミラー４１と第２ミラー４２の間の光軸主光線の光路長Ｌ12は、２８ｍｍ、第１ミラー４１のＨ方向の光軸主光線近傍の焦点距離ｆ1Ｈは、６２．８ｍｍ、第１ミラー４１のＶ方向の光軸主光線近傍の焦点距離ｆ1Ｖは、１３．３６ｍｍである。

従って、上記式（１）の（Ｓ1Ｈ×ｆ1Ｈ）／（Ｓ1Ｈ＋ｆ1Ｈ）／Ｌ12の値は、０．３７５と計算され、式（１）および式（１ａ）を満たす。

また、上記式（２）の（Ｓ1Ｖ×ｆ1Ｖ）／（Ｓ1Ｖ＋ｆ1Ｖ）／Ｌ12の値は、０．６４９と計算され、式（２）および式（２ａ）を満たす。

また、上記式（３）のｆ1Ｖ／ｆ1Ｈの値は、０．２１３と計算され、式（３）および式（３ａ）を満たす。

こうして本実施形態に係る投影光学系は、Ｈ方向の光源像およびＶ方向の光源像を、第１ミラー４１と第２ミラー４２の中間に生成しているため、第２ミラー４２の小型化が図られる。

図１２は、スクリーンＳＣ上での走査格子の歪みを示すグラフである。縦軸は、スクリーンＳＣでの垂直位置であり、横軸は、スクリーンＳＣでの水平位置である。図１３は、スクリーンＳＣ上での走査速度の変化を示すグラフである。縦軸は、スクリーンＳＣでのＨ方向の走査速度であり、横軸は、スクリーンＳＣでの水平位置である。

図１２および図１３を見ると、Ｈ方向の利用効率が７５％と非常に大きいにもかかわらず、等速性と歪みが良好に補正されていることが分かる。

本発明の第１実施形態を示す全体図であり、図１（Ａ）は側面図、図１（Ｂ）は平面図である。 レーザ投射装置ＰＪにおける光源ユニットの一例を示す構成図である。 第１実施形態に係るレーザ投射装置ＰＪの構成を示し、図３（Ａ）は側面図、図３（Ｂ）は平面図である。 走査装置３０の構成例を示す正面図である。 図５（Ａ）は、第１ミラー４１のＨ方向断面形状を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、第２ミラー４２のＨ方向断面形状を示すグラフである。 スクリーンＳＣ上での走査格子の歪みを示すグラフである。 スクリーンＳＣ上での走査速度の変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態を示す全体図であり、図８（Ａ）は側面図、図８（Ｂ）は平面図である。 レーザ投射装置ＰＪにおける光源ユニットの他の例を示す構成図である。 第２実施形態に係るレーザ投射装置ＰＪの構成を示し、図１０（Ａ）は側面図、図１０（Ｂ）は平面図である。 図１１（Ａ）は、第１ミラー４１のＨ方向断面形状を示すグラフであり、図１１（Ｂ）は、第２ミラー４２のＨ方向断面形状を示すグラフである。 スクリーンＳＣ上での走査格子の歪みを示すグラフである。 スクリーンＳＣ上での走査速度の変化を示すグラフである。 本発明に係る投影光学系の説明図である。 コリメート光入射による像面の状態の説明図である。 収束光入射による像面の状態の説明図である。

符号の説明

１０ 光源ユニット
１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ レーザ素子
１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ，１４ 入射光学系
１３ 色合成素子
１５ 折り返しミラー
３０ 走査装置
３１ 走査ミラー
３４ａ〜３４ｄ 圧電素子
４１，４２ 反射ミラー
ＰＪ レーザ投射装置
ＳＣ スクリーン

Claims (10)

1. レーザ光源と、
   レーザ光源からの光束が入射する入射光学系と、
   入射光学系からの光束を２次元的に走査するための走査装置と、
   走査装置からの光束をスクリーンに投影するための投影光学系とを備えるレーザ投射装置であって、
   走査装置は、主走査方向の偏向を行うための共振駆動ミラーを含み、
   走査装置からスクリーンまでの光路中において少なくとも１回光源像が形成され、
   投影光学系は、主走査方向に関して、主走査方向の周辺に向かうほど正のパワーが強くなるように設計されており、
   入射光学系は、主走査方向のパワーと副走査方向のパワーが互いに異なることを特徴とするレーザ投射装置。
2. 入射光学系は、主走査方向に関する収束光を、走査装置に入射することを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
3. 入射光学系は、走査装置から入射光学系による主走査方向の光源像までの距離を、主走査方向の物体距離Ｓｈとし、瞳径をｄとして、
   ２０＜Ｓｈ／ｄ＜８０
   を満足することを特徴とする請求項２記載のレーザ投射装置。
4. 入射光学系は、走査装置から入射光学系による副走査方向の光源像までの距離を、副走査方向の物体距離Ｓｖとし、瞳径をｄとして、
   ｜０．０５｜＞ｄ／Ｓｖ
   を満足することを特徴とする請求項２記載のレーザ投射装置。
5. 入射光学系は、入射光学系の主走査方向のパワーの絶対値をＰｗＨとし、入射光学系の副走査方向のパワーの絶対値をＰｗＶとして、
   １．２＜ＰｗＨ／ＰｗＶ＜７．０
   を満足することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のレーザ投射装置。
6. 投影光学系は、正のパワーを持つ２枚の凹反射面のみで構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ投射装置。
7. 投影光学系は、少なくとも２枚の非軸対称形状の反射面を含み、走査装置に最も近い第１反射面と第２反射面との間に光源像が存在することを特徴とする請求項６記載のレーザ投射装置。
8. 投影光学系の第１反射面は、正のパワーを有し、第１反射面と第２反射面の光軸主光線の光路長をＬ12とし、第１反射面の主走査方向の光軸主光線近傍の焦点距離をｆ1Ｈとし、第１反射面の主走査方向の入射光学系による光源像の物体距離をＳ1Ｈとして、
   ０＜（Ｓ1Ｈ×ｆ1Ｈ）／（Ｓ1Ｈ＋ｆ1Ｈ）／Ｌ12＜１．０
   を満足することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ投射装置。
9. 投影光学系の第１反射面は、正のパワーを有し、第１反射面と第２反射面の光軸主光線の光路長をＬ12とし、第１反射面の副走査方向の光軸主光線近傍の焦点距離をｆ1Ｖとし、第１反射面の副走査方向の入射光学系による光源像の物体距離をＳ1Ｖとして、
   ０＜（Ｓ1Ｖ×ｆ1Ｖ）／（Ｓ1Ｖ＋ｆ1Ｖ）／Ｌ12＜１．０
   を満足することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ投射装置。
10. 投影光学系の第１反射面は、第１反射面の主走査方向の光軸主光線近傍の焦点距離をｆ1Ｈとし、第１反射面の副走査方向の光軸主光線近傍の焦点距離をｆ1Ｖとして、
    ０＜ｆ1Ｖ／ｆ1Ｈ＜１
    を満足することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ投射装置。

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